1、前言

　　南水北調中線(xiàn)工程屬特大型跨流域調水工程，從長(cháng)江支流漢江上的丹江口水庫引水，跨江、淮、黃、海四大流域，主要向唐白河流域、淮河中上游和海河流域的湖北、河南、河北、北京及天津供水。主體工程由水源區工程和輸水工程兩大部分組成，輸水工程包括總干渠、天津干渠工程以及穿黃河工程。

　　穿黃工程是南水北調中線(xiàn)總干渠與黃河的交叉建筑物，是總干渠上規模最大、技術(shù)最復雜并控制工期的關(guān)鍵性工程，一期設計輸水流量265m³/s、加大設計流量320m³/s.為確保穿黃工程萬(wàn)無(wú)一失，水利部指派黃河水利委員會(huì )勘測規劃設計研究院和長(cháng)江水利委員會(huì )長(cháng)江勘測規劃設計研究院兩 大全國最權威的水利部門(mén)分別獨立設計渡槽、隧洞兩個(gè)方案。

　　隧洞方案與渡槽方案相比，可免受溫度、冰凍、大風(fēng)、意外災害等不利因素影響，耐久性好，檢修維護相對簡(jiǎn)單；采用渡槽方案則增加了世界治水史上最為宏偉的人文景觀(guān)，而且還可以成為具有較高開(kāi)發(fā)價(jià)值的旅游資源。從技術(shù)上看，無(wú)論是渡槽還是隧洞方案都是可行的，并且工程造價(jià)相當。經(jīng)過(guò)水利部及國家計委組織的專(zhuān)家多次審查，考慮到隧洞方案可避免與黃河河勢、黃河規劃的矛盾，且盾構法施工技術(shù)國內外都有成功經(jīng)驗，因此最終選擇了隧洞方案。

　　2、工程概況

　　穿黃工程位于河南省鄭州市上游約30km處，線(xiàn)路總長(cháng)19.30km，南起滎陽(yáng)市李村村西，北至河南焦作市溫縣陳溝村西。主體工程由南北岸渠道、南岸退水洞、進(jìn)口建筑物、穿黃隧洞、出口建筑物、北岸防護堤、北岸新老蟒河交叉工程以及孤柏嘴控導工程等組成。

　　穿黃隧洞總長(cháng)4250m，包括過(guò)河隧洞段和邙山隧洞段，雙洞布置，隧洞軸線(xiàn)間距為28m，兩洞各采用一臺盾構自北向南推進(jìn)。穿黃隧洞最大埋深35m，最小埋深23m；最高水壓為0.45MPa；最小曲線(xiàn)半徑為800m；過(guò)河隧洞段坡度為1‰和2‰，邙山隧洞段坡度為49.107‰；穿黃隧洞為圓斷面，內徑？7.0m，外徑8.7m，隧洞外層為7等分裝配式普通鋼筋混凝土管片結構，管片內徑為7.9m，外徑為8.7m，管片寬度1.6m；內層為現澆預應力鋼筋混凝土整體結構，厚45cm，標準分段長(cháng)度為9.6m，隧洞內襯在與北岸和南岸施工豎井銜接的洞段以及地層變化洞段將局部加密；內外層襯砌由彈性防、排水墊層相隔。

　　3、工程地質(zhì)

　　過(guò)河隧洞樁號5＋658.57～9+108.57，全長(cháng)3450m.北岸始發(fā)豎井中心高程67m，樁號9＋108.57；南岸到達豎井中心高程72.45m，樁號5＋658.57.過(guò)河隧洞穿越的主要地層為Q2粉質(zhì)壤土、Q41砂層和砂礫（泥礫）石層。根據隧洞圍土的組成可劃分為三種類(lèi)型：

　　1）單一粘土結構隧洞圍土為Q2粉質(zhì)壤土層，分布在樁號5+658～6+033和7+109～7+919，總長(cháng)1185m.

　　2）上砂下土結構隧洞圍土上部為Q41砂層，下部為Q2粉質(zhì)壤土層，分布在樁號6+033～7+109和7+919～8+233，總長(cháng)1390m.

　　3）單一砂土結構隧洞圍土主要為Q41中砂層，局部為粗砂層，砂層中零星分布砂礫石透鏡體，該類(lèi)結構分布在樁號8+233以北，長(cháng)875m.

　　過(guò)河隧洞開(kāi)挖范圍內，礫卵石粒徑2～10cm；Q2粉質(zhì)壤土中夾有鈣質(zhì)結核層；Q41砂層中石英顆粒含量較高，達40％～70％，且分布有泥礫層和砂礫石透鏡體，局部有淤泥質(zhì)粉質(zhì)壤土透鏡體；在樁號8+670～8+940之間，隧洞底板分布有Q3粉質(zhì)粘土，應考慮其變形特性。根據目前地質(zhì)勘察資料，不排除在隧洞掘進(jìn)過(guò)程中偶遇粒徑大于15cm的塊石、枯樹(shù)及上第三系粘土巖、砂巖、粉砂巖和砂質(zhì)粘土巖的可能性。上第三系的粘土巖、砂巖、粉砂巖和砂質(zhì)粘土巖成巖作用差。粘土巖強度較Q2粘土略高，抗壓強度為0.53 MPa；砂巖一般為泥質(zhì)膠結，強度低，抗壓強度為0.62MPa.局部分布有薄層鈣質(zhì)膠結的砂巖，呈堅硬狀，強度較高，抗壓強度為16.5MPa.

　　邙山隧洞段樁號5+658.57～4＋893.57，長(cháng)800m.樁號4＋893.57～5＋090隧洞段為黃土狀壤土；樁號5＋090～5＋359.08段為粉質(zhì)壤土，中間夾3層古土壤層；樁號5＋359.08～5＋658.57段為粉質(zhì)壤土，中間夾4層古土壤層，其下多富積鈣質(zhì)結核或鈣質(zhì)結核層。粉質(zhì)壤土滲透系數k＝1×10－5cm/s，黃土滲透系數為1×10－5～1×10－4cm/s.黃土狀粉質(zhì)壤土滲透系數k＝3.7×10－5～1.0×10－4cm/s.過(guò)河隧洞段穿越的飽和含水砂層，其滲透系數k＝10-3～10-2cm/s.

　　4、盾構類(lèi)型的選擇

　　4.1盾構類(lèi)型與地層的關(guān)系

　　盾構選型應從安全性、可靠性、經(jīng)濟性等方面綜合考慮，所選擇的機型要能盡量減少輔助施工法并確保施工安全可靠。不同類(lèi)型的盾構適應的地質(zhì)范圍不同，盾構選型的主要依據是土質(zhì)條件、巖性，要確保所選擇的盾構能適應地質(zhì)條件，保持開(kāi)挖面穩定。

　　土壓平衡盾構是依靠推進(jìn)油缸的推力給土倉內的開(kāi)挖土碴加壓，使土壓作用于開(kāi)挖面使其穩定，主要適用于粉土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉土和粉砂層等粘稠土壤的施工。在粘性土層中掘進(jìn)時(shí)，由刀盤(pán)切削下來(lái)的土體進(jìn)入土倉后由螺旋機輸出，在螺旋機內形成壓力梯降，保持土倉壓力穩定，使開(kāi)挖面土層處于穩定。盾構向前推進(jìn)的同時(shí)螺旋機排土，使排土量等于開(kāi)挖量，即可使開(kāi)挖面的地層始終保持穩定。當含砂量超過(guò)某一限度時(shí)泥土的塑流性明顯變差，土倉內的土體因固結作用而被壓密，導致碴土難以排送，需向土倉內注水或泡沫、泥漿等，以改善土體的塑流性。

　　泥水盾構利用循環(huán)懸浮液的體積對泥漿壓力進(jìn)行調節和控制，采用膨潤土懸浮液（俗稱(chēng)泥漿）作為支護材料。開(kāi)挖面的穩定是將泥漿送入泥水平衡倉內，在開(kāi)挖面上用泥漿形成不透水的泥膜，通過(guò)該泥膜保持水壓力，以平衡作用于開(kāi)挖面的土壓力和水壓力。開(kāi)挖的土砂以泥漿形式輸送到地面，通過(guò)泥水處理設備進(jìn)行分離，分離后的泥水進(jìn)行質(zhì)量調整，再輸送到開(kāi)挖面。泥水盾構適用的地質(zhì)范圍較大，能適應穿黃工程的所有地質(zhì)。

　　從地質(zhì)條件來(lái)看，本工程可使用加泥式土壓平衡盾構和泥水平衡盾構。但使用加泥式土壓平衡盾構在砂層和砂礫（泥礫）石層施工時(shí)需要向開(kāi)挖倉中注添加劑，以改善碴土的性能，使其成為具有良好塑流性、低的摩擦系數及止水性的碴土，且對于砂礫（泥礫）石層，開(kāi)挖破碎后可能會(huì )有大顆粒碴土，需要考慮螺旋輸送機通過(guò)粒徑的能力。泥水盾構能適應粉質(zhì)壤土、砂層和砂礫（泥礫）石層等各種地質(zhì)，對于砂礫（泥礫）石層可在泥水平衡倉內設置破碎機。

　　4.2盾構類(lèi)型與水壓及滲透性的關(guān)系

　　地層滲透系數是盾構選型的重要因素。根據歐美和日本的施工經(jīng)驗，當地層的滲透系數小于10-7m/s時(shí)可以選用土壓平衡盾構；當地層的滲透系數在10-7m/s和10-4m/s之間時(shí)既可選用土壓平衡盾構也可選用泥水盾構；當地層的滲透系數大于10-4m/s時(shí)，如采用土壓平衡盾構開(kāi)挖倉中添加劑將被稀釋?zhuān)�水、砂、砂礫相互混合后土碴不易形成具有良好塑性及止水性碴土，在螺旋機出碴門(mén)處易發(fā)生噴涌，施工困難。本工程過(guò)河隧洞段穿越的飽和含水砂層，其滲透系數k＝10-3～10-2cm/s，遠遠超過(guò)土壓平衡盾構允許的最大范圍，因此宜采用泥水盾構。

　　當水壓大于0.3MPa時(shí)螺旋輸送機也難以形成有效的土塞效應，在輸送機排土閘門(mén)處易發(fā)生水土噴涌現象，引起土倉中土壓力下降，導致開(kāi)挖面坍塌。本工程水壓高達0.45MPa，采用泥水盾構最適應南水北調中線(xiàn)一期穿黃工程的地質(zhì)情況和水文情況，可以確保穿黃隧洞工程施工安全可靠。

　　5、盾構驅動(dòng)方式的選擇

　　由于受始發(fā)豎井結構尺寸的限制，盾構設計時(shí)要求結構緊湊、效率高、起動(dòng)扭矩大、設備的散熱溫度低，所以對盾構驅動(dòng)方式的選擇非常關(guān)鍵。驅動(dòng)方式有三種，一是變頻電機驅動(dòng)，二是液壓驅動(dòng)，三是定速電機驅動(dòng)，鑒于定速電機驅動(dòng)時(shí)刀盤(pán)轉速不能調節，一般不采用�，F將變頻驅動(dòng)與液壓驅動(dòng)進(jìn)行比較，見(jiàn)表1.經(jīng)綜合評價(jià)宜采用變頻驅動(dòng)。

　　6、泥水壓力控制模式的選擇

　　泥水盾構根據泥水平衡倉構造形式和對泥漿壓力的控制方式不同分為直接控制型和間接控制型。

　　直接控制型泥水盾構采用泥水直接加壓模式，其泥水輸送系統的流程如下：送泥泵從地面調漿池將新鮮泥漿輸入盾構泥水倉，與開(kāi)挖泥土進(jìn)行混合形成稠泥漿，然后由排泥泵輸送到地面泥水分離處理站，經(jīng)分離后排除土碴，而稀泥漿流向調漿池，再對泥漿密度和濃度進(jìn)行調整后，重新輸入盾構循環(huán)使用。直接控制型泥水盾構的泥水壓力通過(guò)調節送泥泵轉速或調節控制閥的開(kāi)度來(lái)進(jìn)行，送泥泵安在地面，控制距離長(cháng)而產(chǎn)生延遲效應不便于控制泥漿壓力，因此常用調節控制閥的開(kāi)度來(lái)進(jìn)行泥漿壓力調節。

　　間接控制型泥水盾構的泥水壓力控制采用氣壓模式，由泥漿和空氣雙重回路組成。在盾構的泥水倉內插裝一道半隔板（沉浸墻），在半隔板前充以壓力泥漿，在半隔板后面盾構軸心線(xiàn)以上部分充以壓縮空氣，形成空氣緩沖層，氣壓作用在隔板后面與泥漿的接觸面上，由于接觸面上氣、液具有相同壓力，因此只要調節空氣壓力就可以確定和保持在開(kāi)挖面上相應的泥漿支護壓力，由于空氣緩沖層的彈性作用，當液位波動(dòng)時(shí)對支護泥漿壓力變化無(wú)明顯影響，泥水壓力的波動(dòng)小，控制精度高，對開(kāi)挖面土層支護更為穩定，對地表變形控制也更為有利，因此選擇間接控制型泥水盾構最佳。

　　7、本工程對泥水盾構的設計要求

　　7.1對砂土地層及砂卵石地層的適應性

　　過(guò)河隧洞段穿越的主要地層為Q2粉質(zhì)壤土、Q41砂層和砂礫（泥礫）石層。其中上砂下土結構的地層總長(cháng)1390m，隧洞上部為Q41砂層；單一砂土結構的地層總長(cháng)為875m，隧洞主要為Q41中砂層，局部為粗砂層，砂層中零星分布砂礫石透鏡體。

　　這種地層石英含量高，對刀盤(pán)、刀具、管路的磨損性強，砂土地層滲透性大，需要的泥水平衡壓力更大，而需要的扭矩通常較小，在這種地層中施工通常要損失更多的泥漿。施工中應特別注意泥漿循環(huán)的速度不能低于防止泥漿沉淀所需的最小速度，因此盾構在砂土地段的施工時(shí)應重點(diǎn)考慮以下功能：①具備平衡掌子面水土壓力的能力；②刀盤(pán)、刀具、泥漿管路的高耐磨性；④合理的刀盤(pán)及刀具設計，恰當的刀盤(pán)開(kāi)口率，合理的開(kāi)口位置；⑤盾構本體在壓力狀態(tài)下的防水密封性能；⑥防止流砂；⑦人倉設計；⑧管片壁后同步注漿系統；⑨能夠對較大的卵石進(jìn)行破碎，有效防止堵管情況的發(fā)生。

　　7.2適應卵石、孤石、古樹(shù)等不良地質(zhì)

　　砂卵石地層中土體屬松散體，若采用適用于硬巖的滾刀進(jìn)行破巖，則在滾刀的掘進(jìn)擠壓下土體會(huì )產(chǎn)生較大的變形，滾刀將不轉動(dòng)，大大降低了滾刀的切削效果，有時(shí)甚至喪失切削破碎能力。穿越砂卵石地層宜采用碳化鎢球齒滾刀（圖2）或碳化鎢撕裂刀（圖3），但碳化鎢球齒滾刀不能對古樹(shù)等進(jìn)行有效破碎，為了適應卵石、孤石、古樹(shù)等不良地質(zhì)，采用碳化鎢撕裂刀較適應穿黃工程的不良復雜地質(zhì)。

　　在泥水平衡倉的底部的排泥管前面安裝一個(gè)顎板式碎石機，用來(lái)破碎漂石和鈣質(zhì)結核，使其破碎后能通過(guò)排漿管排出。破碎機配有欄石隔柵，用來(lái)限制進(jìn)入排泥管路石塊的尺寸。

　　7.3對軟硬不均地層的適應性

　　過(guò)河隧洞段穿越的地層主要有全土層、全砂土層、復合層、鈣質(zhì)結核土層和砂礫石層（或泥礫層），邙山隧洞段穿越的地層主要有全土層和鈣質(zhì)結核土層。刀盤(pán)上布置雙層碳化鎢先行刀（撕裂刀）、雙層碳化鎢切刀和碳化鎢刮刀。碳化鎢刀具的高強度和高耐磨性完全適應穿黃工程的地質(zhì)條件。對于地層較大的卵石，在泥水室中安裝液壓油缸驅動(dòng)的破碎機（圖4）進(jìn)行破碎。刀盤(pán)上焊接的耐磨條及耐磨焊層也是刀盤(pán)在復合地層中掘進(jìn)時(shí)的重要保證措施。

　　盾構在軟硬不均地段掘進(jìn)時(shí)，由于刀盤(pán)的受力不均而易發(fā)生姿態(tài)較難控制的現象，為此盾構的推進(jìn)油缸在圓周方向進(jìn)行分組，每組可以單獨調整推進(jìn)力和推進(jìn)行程而改變盾構的掘進(jìn)方向。盾構采用先進(jìn)的激光導向系統，盾構的姿態(tài)可以隨時(shí)反映在操作室內，從而可以對盾構的姿態(tài)隨時(shí)進(jìn)行靈活的調整，同時(shí)配合調整刀盤(pán)的推力和扭矩參數保證盾構在軟硬不均地段保持正確的姿態(tài)。

　　7.4對粘土地層的適應性

　　總體而言，粘土地層的滲透性更小、自穩性更好，因此需要的泥水平衡的壓力比在砂層中更小。但粘性地層掘進(jìn)時(shí)刀盤(pán)需要更大的扭矩，盾構需配備較大的刀盤(pán)驅動(dòng)功率；同時(shí)要防止刀盤(pán)中心粘結泥餅和防止排泥管路堵塞。

　　刀盤(pán)中心部位線(xiàn)速度較低，粘土、粉土、膨潤土等粘稠土體在中心部位的流動(dòng)性較差，粘性土容易在中心部位沉積，同時(shí)在泥水倉的后部也容易粘結泥餅。設計盾構時(shí)采用如下措施：

　�、俨捎门驖櫷聊酀{沖洗系統，在刀盤(pán)的中心設計膨潤土注入口，用于對刀盤(pán)中心部位進(jìn)行沖洗和清理；

　�、诩哟笾行牟课婚_(kāi)口率，使粘性土沒(méi)有粘結的位置，直接從刀盤(pán)開(kāi)口順利進(jìn)入到泥水室；

　�、鄣侗P(pán)開(kāi)口部位采用特殊結構設計，開(kāi)口設計成楔形梯形結構，使開(kāi)口逐漸變大，利于碴土的流動(dòng)。

　　在粘土地層中特別容易發(fā)生排泥管堵塞，為防止堵管、對泥漿系統需進(jìn)行針對性設計，安裝電磁控制球閥和相應管路，可以實(shí)現在進(jìn)排漿管中進(jìn)行反循環(huán)，反循環(huán)的目的是清理堵塞的排泥管。此外，在氣倉的底部安裝電磁球閥，在開(kāi)挖模式下盾構司機可以在切削倉的上面實(shí)現反向循環(huán)，以便清理在破碎機和倉室底部的沉積物，在粘土地層中掘進(jìn)時(shí)這種沉積物更是經(jīng)常發(fā)生。反循環(huán)和底部注入可以在需要的基礎上周期性使用，同時(shí)需采用重型的排泥泵，設計較大的排泥通道，能夠泵送的最大粒徑不小于180mm.泥漿泵的關(guān)鍵部件進(jìn)行耐磨設計，以便適應泵送的磨損性介質(zhì)。

　　7.5對高水壓的適應性

　　過(guò)河隧洞穿越地層主要為富含地下水的砂土層，地下水壓力高達0.45MPa，在高水壓下施工，施工安全和工程防水是第一重點(diǎn)，隧洞防水是盾構法施工的關(guān)鍵。盾構在高水壓地段推進(jìn)，重點(diǎn)是保證主軸承密封、盾尾密封在高承壓狀態(tài)下的正常工作。

　　1）主軸承密封主軸承內外密封應具有自動(dòng)潤滑功能、自動(dòng)密封功能、自動(dòng)檢測密封的工作狀況功能和密封磨損后的繼續使用功能，可采用唇形密封（圖5）或指形密封（圖6）。

　　2）盾尾密封盾尾密封（圖7）是集彈簧鋼、鋼絲刷及不銹鋼金屬網(wǎng)于一體的結構，在彈簧鋼和鋼絲刷上涂氟樹(shù)脂進(jìn)行防銹處理。盾尾密封可采用4道鋼絲刷密封或3道鋼絲刷密封加1道鋼板束，在各盾尾密封之間注入油脂來(lái)提高止水性能。在盾尾設計1道膨脹應急密封，當鋼絲刷密封正常時(shí)該密封彎曲在盾尾的溝槽里不起密封作用。當鋼絲刷密封失效時(shí)通過(guò)注水或充氣使該密封膨脹，將管片外側與盾尾內側之間的間隙完全密封以防止涌水從盾尾漏入隧洞內，并可在隧洞內安全更換前2～3道鋼絲刷密封。

　　7.6對深豎井及長(cháng)距離泥水輸送的適應性

　　過(guò)河隧洞掘進(jìn)時(shí)從北岸始發(fā)，北岸豎井深達50.5m，且隧洞線(xiàn)路長(cháng)，長(cháng)距離水平輸送和高揚程的垂直輸送要求送排泥泵具有大功率和大揚程。送排泥泵均采用變頻驅動(dòng)。送泥泵采用1臺大功率、大揚程、大流量的重型泥漿泵；排泥泵采用3臺大功率、大揚程、大流量的重型泥漿泵。具體是在盾構后配套拖車(chē)上安裝1臺主排泥泵，在豎井底部安裝1臺接力泵，當盾構掘進(jìn)到過(guò)河隧洞的中間時(shí)在隧道內安裝1臺中繼排泥泵。

　　邙山隧洞段施工時(shí)分離站從北岸搬至南岸，南岸豎井深達39.95m，受豎井周?chē)鷪?chǎng)地（約2000m2）的限制，泥水分離站宜建在山上。盾構施工時(shí)仍使用1臺送泥泵、3臺排泥臺，主排泥泵安裝在盾構上，中繼泵安裝在南岸豎井底部，接力泵安裝在豎井平臺上。

　　7.7地表沉降控制要求

　　盾構需穿越不同埋深的地層，在不同位置水壓力也不同，盾構應具有良好的泥水壓力調整功能，滿(mǎn)足地表沉降控制在規定范圍，保證能夠順利安全穿越黃河。為了減小泥水壓力的波動(dòng)宜采用氣壓式間接控制型泥水盾構。

　　7.8精確的方向控制要求

　　要求盾構具有良好的方向控制能力，導向系統具有很高的精度，以保證線(xiàn)路方向誤差控制在規定的范圍內。盾構方向的控制包括兩個(gè)方面：一是盾構本身能夠進(jìn)行糾偏、轉向，二是采用先進(jìn)的導向技術(shù)保證盾構掘進(jìn)方向的正確。

　　7.9環(huán)境保護的要求

　　環(huán)境保護包括三個(gè)方面：一是盾構施工時(shí)對周?chē)�自然環(huán)境的保護，使用的輔助材料如油脂、泥漿添加劑等不對環(huán)境造成污染；二是盾構及后配套設備無(wú)大的噪聲、震動(dòng)等；三是盾構法施工的現場(chǎng)環(huán)境管理，隧洞內的施工污水通過(guò)低壓排污泵抽到污水箱，再通過(guò)污水箱中的高壓泵泵送到泥漿回路。

　　7.10長(cháng)距離掘進(jìn)不換刀技術(shù)

　　本工程在過(guò)河隧洞掘進(jìn)時(shí)一次掘進(jìn)距離長(cháng)達3450m，為了安全可靠必須避免刀盤(pán)磨損和中途換刀。對刀盤(pán)和刀具必須進(jìn)行耐磨性設計，刀盤(pán)的面板焊接格柵狀的特殊耐磨材料，刀盤(pán)的外圈焊接高強度的耐磨板，在刀盤(pán)的開(kāi)口部位進(jìn)行表面硬化，充分保證刀盤(pán)在掘進(jìn)時(shí)的耐磨性能。長(cháng)距離掘進(jìn)中途不換刀一般采用圖8的兩種方案。方案一：設計救援刀具，在初裝刀具磨損到極限后將內藏的救援刀具伸出；方案二：

　　采用高耐磨切刀，切刀的刀刃采用雙層碳化鎢結構。由于內藏式救援刀結構較復雜、成本較高，穿黃隧洞宜采用雙層高耐磨碳化鎢切刀。

　　為確保刀具的高耐磨性所有刀具均采用碳化鎢刀具，先行刀和切刀均采用雙層碳化鎢刀刃，并設計有耐磨齒。在不同區域的切刀上安裝刀具磨損量檢測裝置，及時(shí)掌握刀具的磨損情況，保證刀具正常工作，除此之外還應采取以下措施。

　　1）刀具的排列行數在刀盤(pán)面板的同一軌跡上，通過(guò)增加刀具的排列行數來(lái)增加刀具數量，以減少每把刀具的磨損。

　　2）采用超硬重型刀具連同安裝刀具用的刀座一起大型化，加大刀具的寬度，以達到增大刀刃的耐磨性

　　3）刀具背面進(jìn)行耐磨防護在超硬刀具背面進(jìn)行充分的硬化堆焊，設計雙排碳鎢合金柱齒，防止刀具的基材磨損。

　　4）帶壓換刀作為應急措施配備雙氣路的雙室人倉，以便在壓縮空氣下帶壓進(jìn)入開(kāi)挖室和隧洞掌子面，確保萬(wàn)一需要換刀時(shí)的施工安全和快速作業(yè)。

　　7.11盾構的可靠性和安全性

　　盾構施工時(shí)應保證人員及設備的安全。盾構的可靠性是工程施工的重要保障，盾構的關(guān)鍵部件必須在施工過(guò)程中萬(wàn)無(wú)一失，做到百分之百的可靠。盾構的可靠性表現在以下方面：對地質(zhì)的適應性，整體設計的可靠性；設備本身性能、質(zhì)量、使用壽命等的可靠性；在盾構設計的同時(shí)應該考慮到應用先進(jìn)的技術(shù)來(lái)確保施工安全及人員和設備的安全。

　　為了保證刀具檢修更換及處理障礙物作業(yè)的特殊空間需要，刀盤(pán)可采用可伸縮型并具有足夠的伸縮行程，必要時(shí)在沉浸墻上設置隔板安全門(mén)，保證在常壓下進(jìn)入氣壓調節倉進(jìn)行維修破碎機和進(jìn)行吸泥管的排堵，確保作業(yè)的快速和安全。

　　8、泥水處理設備的選擇

　　8.1泥水處理概述

　　泥水盾構是通過(guò)加壓泥水來(lái)穩定開(kāi)挖面，開(kāi)挖土碴與泥漿混合由排漿泵輸送到洞外的泥水分離站，經(jīng)分離后進(jìn)入泥漿調整池進(jìn)行泥水性狀調整后，由送泥泵將泥漿送往盾構的泥水平衡倉重復使用，將泥水中的水和土分離的過(guò)程稱(chēng)為泥水處理。

　　泥水處理分為三級。一級泥水處理的對象是粒徑74μm以上的砂和礫石，工藝比較簡(jiǎn)單，用振動(dòng)篩或有旋流器的離心機等設備對其進(jìn)行篩分，分離出的土顆粒用車(chē)運走。二級泥水處理的對象主要是一級處理時(shí)不能分離的74μm以下的淤泥、粘土等的細小顆粒。三級處理是對需排放的剩余水作PH值調整，使泥水排放達到國家環(huán)保要求。

　　泥水處理系統設于地面，由泥水分離系統和泥漿制備系統兩部分組成。泥水分離系統主要由振動(dòng)篩、旋流器、儲漿槽、調整槽、碴漿泵等組成；泥漿制備系統由沉淀池、調漿池、制漿設備等組成。

　　8.2泥水分離站選型

　　選擇泥水分離設備時(shí)必須考慮兩個(gè)方面：①有效地分離排泥漿中的泥土和水分；②具有與盾構最大推進(jìn)速度相適應的分離能力。

　　8.3泥水處理工藝

　　地質(zhì)不同，泥漿處理的工藝也不同。在一般情況下砂質(zhì)土只需進(jìn)行一級處理，粘性土需進(jìn)行二級處理，對需排放的剩余水進(jìn)行三級處理，作PH值調整。

　　1）一級除砂處理盾構在砂礫石層或細砂、中粗砂層掘進(jìn)時(shí)只需進(jìn)行一級除砂處理。其工藝流程如下：豎井內的排泥泵將攜帶土碴的污漿輸送到分離站的預篩器，經(jīng)振動(dòng)篩選后，粒徑在3mm以上的碴料分離出來(lái)，篩余的泥漿進(jìn)入儲漿槽，由碴漿泵從儲漿槽內抽吸泥漿，在泵的出口具有一定儲能的泥漿沿輸漿軟管從旋流除砂器進(jìn)漿口切向射入，經(jīng)過(guò)旋流除砂器分選，粒級74um以上的泥砂由下端的沉砂嘴排除落入細篩；細篩脫水篩選后，干燥的細碴料分離出來(lái)；經(jīng)過(guò)第二道篩選的泥漿循環(huán)返回儲漿槽內，處理后的干凈泥漿從旋流器溢流管進(jìn)入中儲箱，然后沿出漿軟管輸送到調漿池。

　　2）二級除砂處理盾構在粉土、粉砂層掘進(jìn)時(shí)，一級除砂處理不足以將泥漿密度及含砂率降至合理范圍內時(shí)需進(jìn)行二級除砂處理。其流程如下：盾構排出的泥漿經(jīng)排泥管輸送至預振篩內，預振篩將泥漿中3mm以上的砂礫篩除，經(jīng)旋流除砂分離及細篩脫水后清除74μm以上的砂質(zhì)顆粒，經(jīng)過(guò)第二道篩選的泥漿進(jìn)入小直徑旋流除砂器，將泥漿中剩余的74μm以上砂質(zhì)清除，并同時(shí)清除掉45μm以上的泥質(zhì)顆粒。二次除砂后的泥漿由出漿口輸送至沉淀池。

　　3）一級除砂、二級除泥處理在粘土地層掘進(jìn)時(shí)需進(jìn)行二級除泥處理。其工藝流程與二級除砂處理相似，不同之處在于旋流除泥器組的應用。通過(guò)小直徑的長(cháng)錐除泥器和超細目振動(dòng)篩網(wǎng)的組合，二級除泥處理后泥漿中30μm以上的泥質(zhì)顆粒及時(shí)清除，粘度得以控制，見(jiàn)圖9.

　　4）三級處理三級處理是將進(jìn)入PH槽中的液體進(jìn)行酸堿處理，以達到排放標準。采用的材料主要是稀硫酸或適量的二氧化碳氣體。

　　8.4泥水性能管理

　　從泥水分離站排出的泥漿經(jīng)沉砂池沉淀后進(jìn)入調漿池，在調漿池內由制漿系統的高速制漿機對泥漿進(jìn)行調配，確保輸送到盾構的泥漿性能滿(mǎn)足使用要求。

　　在泥水循環(huán)利用的過(guò)程中，泥水性能的管理主要是對泥漿質(zhì)量的控制，即對泥漿最大顆粒粒徑、粒徑分布、泥漿密度、泥水粘度的管理。穿黃隧洞施工時(shí)泥水粘度一般控制在25～35s范圍內。當泥水粘度過(guò)大時(shí)排泥管易堵塞。泥水密度是一個(gè)主要控制指標，過(guò)高將影響泥水的輸送，過(guò)低將破壞開(kāi)挖面的穩定，一般在能滿(mǎn)足開(kāi)挖面穩定的情況下泥水密度越小越好，這樣能節省泥水制作成本，減少膨潤土的消耗。掘進(jìn)過(guò)程中對泥漿性狀進(jìn)行管理時(shí)根據地質(zhì)而定，送泥密度一般控制在1.15～1.2g/cm3之間。當泥水密度偏低時(shí)通過(guò)快速制漿機加入膨潤土進(jìn)入調整；當密度偏高時(shí)加入清水進(jìn)行稀釋。

　　9、盾構關(guān)鍵參數的計算

　　盾構關(guān)鍵參數的計算是盾構選型的參考依據，盾構工作過(guò)程的力學(xué)參數計算是一個(gè)非常復雜的問(wèn)題，由于受地質(zhì)因素、土質(zhì)改良方法和掘進(jìn)參數等一系列因素的影響，在盾構參數計算的方法上存在很多的不確定因素。至今應用的盾構參數計算方法在很大程度上只是處于研究、探索階段，甚至很大程度上是一些經(jīng)驗性的計算方法，盾構關(guān)鍵參數的計算主要包括以下內容。

　　1）推力計算盾構推進(jìn)過(guò)程中的阻力主要包括盾殼和土層的摩擦力、土壓的正面阻力、水壓的正面阻力、盾尾密封與管片之間的摩擦力、拖拉后配套的力。盾構施工時(shí)為滿(mǎn)足上坡、曲線(xiàn)施工和糾偏的需要，無(wú)法充分利用所有的推進(jìn)油缸，推進(jìn)系統裝備的推進(jìn)力必須留有足夠的余量，總推力應大于總阻力的1.3～1.5倍。

　　2）刀盤(pán)扭矩的計算盾構在軟土中推進(jìn)時(shí)的扭矩包括切削扭矩（克服泥土切削阻力所需的扭矩）、刀盤(pán)自重形成的軸承扭矩、刀盤(pán)軸向荷載形成的軸承扭矩、主軸承密封裝置摩擦力矩、刀盤(pán)前面摩擦扭矩、刀盤(pán)圓周面的摩擦反力矩、刀盤(pán)背面摩擦力矩和刀盤(pán)開(kāi)口槽的剪切力矩等。

　　3）功率計算主要包括主驅動(dòng)功率計算、推進(jìn)系統功率計算。

　　4）同步注漿能力的計算首先計算同步注漿應具備的理論能力，再考慮1.5～1.8的注入率，同時(shí)還要考慮注漿泵的效率，一般按75%的效率計算。

　　5）泥水輸送系統參數的計算主要包括送排泥流量的計算、送排泥流速的計算、送排泥揚程的計算。

　　10、結束語(yǔ)

　　盾構選型主要依據招標文件、工程勘察報告、隧洞設計和相關(guān)標準和規范，針對工程特點(diǎn)及難點(diǎn)、隧洞設計參數、盾構施工工藝和進(jìn)度要求等因素進(jìn)行分析，對盾構類(lèi)型、驅動(dòng)方式、功能要求、主要技術(shù)參數和輔助設備的配置等進(jìn)行研究，并邀請具有同類(lèi)盾構制造經(jīng)驗國際著(zhù)名的盾構制造商和國內外盾構設計、隧洞設計及盾構施工方面的專(zhuān)家共同參與。經(jīng)過(guò)反復論證和研究，參照類(lèi)似工程盾構的選型及施工情況，完成適應穿黃隧洞施工盾構的選型工作，確定盾構方案、主要功能、主要技術(shù)性能參數及輔助設備的配置。盾構選型是盾構法施工的關(guān)鍵環(huán)節，直接影響盾構隧洞的安全、質(zhì)量、工藝及成本，為了保證南水北調穿黃隧洞工程的順利完成，必須重視盾構的選型工作。穿黃隧洞施工用盾構應進(jìn)行國際性招標，在建設管理單位指導下進(jìn)行盾構的采購，邀請建設單位專(zhuān)家審核盾構國際招標文件。